WO2015086425A1 - Optikanordnung zur strahlformung eines laserstrahls für eine laserbearbeitungsmaschine - Google Patents

Optikanordnung zur strahlformung eines laserstrahls für eine laserbearbeitungsmaschine Download PDF

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WO2015086425A1
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cylindrical lens
telescope
laser beam
optical arrangement
lens
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PCT/EP2014/076540
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Stefan Dorer
Malte Kumkar
Christoph Tillkorn
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Trumpf Laser Gmbh
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G02B15/167—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group having a first movable lens or lens group and a second movable lens or lens group, both in front of a fixed lens or lens group having an additional fixed front lens or group of lenses
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Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement for changing the ratio of two orthogonal beam cross-section axes of a laser beam in the focal plane.
  • a non-round focus geometry on the workpiece surface is desired.
  • the laser beam is usually focused in a line on the workpiece surface. It is advantageous if the ratio between line length and width is variable in order to make a processing optics versatile applicable or not to have to change the entire processing optics for changes in workpiece properties or process parameters.
  • the simplest way to change the diameter of a focused on a workpiece laser beam is the axial misalignment of the
  • Focusing optics With an axial displacement of the focusing optics, the processing plane is moved out of the focus plane of the optics.
  • the divergent beam properties after or before the focus are used to create a larger laser spot on the workpiece surface.
  • the power distribution of the laser beam only corresponds to the power distribution ("top-hat" profile) at the fiber end of a fiber laser or an optical fiber, as used on machines with solid-state lasers
  • the magnification of the optical system has to be changed by using a lens group or a single lens of the optical system (Gaussian).
  • a second axially displaceable lens (lens group) must be arranged in the optical system.
  • This so-called compensator serves to restore the focus position to its original position to move
  • the variator and compensator travel ranges are generally in a non-linear relationship.
  • the present invention has the object to provide an optical assembly for a laser processing machine, with the ratio of two orthogonal beam cross-section axes of a laser beam can be changed or adjusted and in particular a linear beam focus as possible with infinitely adjustable aspect ratio can be generated on a workpiece surface.
  • an optical arrangement for changing the ratio of two orthogonal beam cross-section axes of a laser beam, with collimating optics for collimating a divergent laser beam, with a cylindrical lens telescope following the collimation optics for changing the beam cross section of the collimated beam only in the direction of the one, second beam cross-sectional axis , wherein the cylindrical lens telescope three lenses or lens groups having positive, negative and positive focal length in the beam direction, which produce at the output of the cylindrical lens telescope a collimated beam in the direction of the second beam cross-sectional axis smaller beam diameter and thus greater residual divergence than at the entrance of the cylindrical lens telescope, and with a Cylinder lens telescope downstream focusing optics for focusing the collimated in the directions of the two beam cross-sectional axes of the laser beam.
  • the cylindrical lens telescope according to the invention has no effect on the laser beam, so that the focus diameter of the laser beam on the workpiece in this direction is not variable. In this way it is achieved that the beam quality of the laser beam in the direction of the first beam cross-sectional axis, in which a high beam quality is desired, is not changed by the cylindrical lens telescope and thus preserved.
  • the cylindrical lens telescope is followed by a focusing optics for imaging the collimated output beam into a beam focus.
  • the picture of the laser beam in The direction of the first beam cross-section axis is effected via a telecentric imaging by the collimation and the focusing optics.
  • the magnification Mi in this direction is only by the ratio of collimation
  • Focusing focal length determined. In the direction of the first beam cross-sectional axis, the focus diameter of the laser beam on the workpiece is not variable, and the beam quality of the laser beam is maintained as it passes through the cylindrical lens telescope, so that in this direction a beam focus with high depth of field is created.
  • the cylindrical lens telescope acts in the direction of the second beam cross-sectional axis, such that the beam diameter D in and the residual divergence of the incoming collimated laser beam are changed.
  • the cylindrical lens telescope is inventively designed so that the exiting collimated laser beam always has a relation to the incoming beam reduced beam diameter D from . This reduction of the beam diameter has the consequence that the residual divergence of the exiting collimated laser beam increases by about the same factor.
  • the (angle) magnification factor of the cylindrical lens telescope is thus greater than one (V> 1) according to the invention.
  • the collimated laser beam with the factor V magnified ist forms, since the higher residual divergence of the collimated output beam is translated into a larger image, ie in a larger diameter in this direction, in the focal plane.
  • the laser beam in this direction by the optical arrangement so with a magnification displayed.
  • a deterioration of the beam quality occurs due to aberrations of the telescope lenses, which, however, can be accepted in this spatial direction.
  • the lens groups of the cylindrical lens telescope each consist of two or more cylindrical lenses in order to minimize aberrations.
  • at least the first lens group and, if necessary, the second lens group of the cylindrical lens telescope can be replaced in whole or in part by an azo cylinder in order to minimize the necessary number of lenses.
  • the divergent laser beam entering the collimating optics has the same beam quality in the directions of the two beam cross-sectional axes, and the collimating optics and the focusing optics are embodied spherically or aspherically.
  • one of the two lenses or lens groups with positive focal length and the lens or lens group with negative focal length are each axially displaceable, wherein it is for each shift position of the lens / lens group with positive focal length a shift position of the lens /
  • Lens group with negative focal length so that at the output of the cylindrical lens telescope a collimated beam is present in the direction of the second beam cross-sectional axis smaller beam diameter and greater residual divergence than at the entrance of the cylindrical lens telescope.
  • the second and the third lens group are designed axially displaceable, but alternatively, the first and the second lens group may be axially displaceable.
  • the axial adjustment of the lens groups can be done manually by means of adjusting screws. It is alternatively also possible to perform the adjustment of the lens groups by motor and to combine with a controller. With a motorized adjustment, the magnification factor and consequent power density on the workpiece can be controlled during machining.
  • the collimating optics is preceded by a fiber from whose fiber core the laser beam exits divergently.
  • a fiber with a round fiber core cross section an elliptical beam cross section is obtained in the focus.
  • a rectangular or approximately line-shaped beam cross-section is obtained in focus, provided the sides of the square or rectangular fiber core exit surface are aligned parallel to the main axes of the cylindrical lens telescope.
  • Such a line focus is best suited, for example, for the stripping or surface treatment of workpieces.
  • the fiber and the cylindrical lens telescope are arranged rotatable relative to each other about the optical axis of the collimating optics, in order to be able to adjust the shape of the beam focus by changing the relative rotational position. If the sides of the fiber core exit surface are aligned parallel to the main axes of the cylindrical lens telescope, a rectangular beam focus is obtained, while with a misalignment of the fiber relative to the cylindrical lens telescope, a diamond-shaped focus cross section is achieved, which can be advantageous for special surface treatments of workpieces.
  • the optical arrangement is advantageously constructed modularly with interchangeable collimation and focusing optics in order to expand the achievable range of different ratios of the two beam cross-sectional axes and thus to different line lengths and widths of the beam focus.
  • the invention also relates to a laser processing machine having a beam generator for generating a laser beam and having an optical arrangement as described above for imaging the laser beam onto a workpiece.
  • the laser processing machine has a fiber arranged upstream of the optical arrangement, into which the laser beam of the beam generator is coupled. The laser beam then exits divergently from the fiber. The power distribution of the beam at the fiber end surface is imaged by the optical assembly on the workpiece surface.
  • the fiber and the optical arrangement are mounted together, ie as a unit, rotatably about the optical axis of the collimating optics.
  • the preferred direction of the focus line on the workpiece can be changed. This is advantageous, for example, when laser polishing or when cutting with high-brilliance fiber lasers, since the power input into the workpiece only takes place uniformly when the alignment of the focus line always remains at right angles to the movement path.
  • FIGS. 1 a, 1 b the beam path of the optical arrangement according to the invention in the
  • Fig. 2 shows the optical path of the optical arrangement according to the invention in the
  • FIGS. 3a, 3b the beam path of the optical arrangement shown in Fig. 1 in the
  • FIGS. 4a-4c the change of an input side round in an output side elliptical beam cross section (Fig. 4a), the change of an input side square in an output side rectangular Beam cross section ( Figure 4b) and the change of an input side square in an output side diamond-shaped beam cross-section ( Figure 4c).
  • FIG. 5 shows schematically a laser processing machine according to the invention with the optical arrangement shown in FIG.
  • Fig. 1 a, 1 b of the beam path through an optical assembly 1 for beam shaping of a circular laser beam 2 for a laser processing machine is shown, in Fig. 1 a in the plane of a first beam cross-sectional axis a and in Fig. 1 b in the plane of a orthogonal second beam cross-sectional axis b of the laser beam 2.
  • the two beam cross-sectional axes a, b each extend at right angles to the beam direction 3.
  • the optical arrangement 1 comprises a spherical or aspherical collimating optics 4 for collimating the divergent incident laser beam 2a and a cylindrical lens telescope 5 arranged downstream of the collimation optics 4 for changing the beam cross section of the collimated beam 2b only in the second beam cross section axis b.
  • the cylindrical lens telescope 5 has three lenses or lens groups 5- ⁇ , 5 2 , 5 3 in the beam direction 3 positive, negative and positive focal length, the output of the cylindrical lens telescope 5 a collimated beam 2c with in the second beam cross-sectional axis b smaller beam diameter D ou t and generate greater residual divergence than at the input of the cylindrical lens telescope 5.
  • the optical arrangement 1 further comprises a cylindrical or aspherical focusing optics 6 arranged downstream of the cylindrical lens telescope 5 for focusing the laser beam 2b, 2c collimated in the two beam cross-sectional axes a, b.
  • the third lens / lens group 5 3 having a positive focal length within a range g and the second lens / lens group 5 2 having a negative focal length within a range e are axially displaceable.
  • Each shift position of the third lens / lens group 53 is a shift position of the lens / lens group 5 2 , so that at the output of the cylindrical lens telescope 5 is a collimated beam 2c in the second beam cross-sectional axis b smaller beam diameter and greater residual divergence than at the input of the cylindrical lens telescope 5 is present.
  • the cylindrical lens telescope 5 In the direction of the first beam cross-sectional axis a, the cylindrical lens telescope 5 has no effect on the laser beam 2b, so that the beam diameter in the focal plane F is not variable. In this way it is achieved that the beam quality of the laser beam in the direction of the first beam cross-sectional axis a, in which a high beam quality and thus good focusability is desired, are not changed by the cylindrical lens telescope 5 and thus preserved.
  • the imaging of the laser beam in the focal plane F takes place via a telecentric imaging by the collimating and the focusing optics 4, 6, and the magnification M-i of the optical assembly 1 in this direction is determined only by the ratio of collimation to focal length.
  • the cylindrical lens telescope 5 acts in the direction of the second beam cross-sectional axis b, so that the beam diameter D in and the residual divergence of the entering collimated laser beam 2b are changed.
  • the cylindrical lens telescope 5 is designed in such a way that the exiting collimated laser beam 2c always has a reduced beam diameter D ou t with respect to the entering beam 2b. This reduction of the beam diameter has the consequence that the residual divergence of the exiting collimated laser beam 2c increases by about the same factor.
  • the angular magnification factor of the cylindrical lens telescope 5 is thus greater than one (V> 1).
  • the laser beam is magnified by the optical arrangement 1 with the factor V, since the higher residual divergence of the collimated output beam 2c is translated into a larger image, ie a larger diameter in this direction, in the focal plane F.
  • a deterioration of the beam quality occurs due to the non-beam quality-preserving image, which, however, can be accepted in this spatial direction.
  • the second and third lens groups 5 2 , 5 3 are each axially displaced so that a collimated laser beam 2 c having a smaller beam diameter D ou t and a smaller beam diameter than FIG. 3 a is provided at the output of the cylindrical lens telescope 5 a corresponding to Fig. 3a correspondingly higher residual divergence.
  • Fig. 4a in the case of a round fiber core 1 1 the input side circular beam cross section after passing through the optical assembly 1 on the output side changed into an elliptical beam cross section whose long axis V * a
  • Fig. 4b in the case of a square Fiber core 1 1 of the input side square beam cross section after passing through the optical assembly 1 on the output side changed into a rectangular beam cross-section, provided that the sides of the square fiber core exit surface 10 a parallel to the main axes of the cylindrical lens telescope 5 are aligned.
  • the long side of the rectangular beam cross section is V * a.
  • the beam cross-section on the input side is changed into a diamond-shaped beam cross-section on the output side, provided the diagonals of the square fiber core exit surface shown in dashed lines are aligned parallel to the main axes of the cylindrical lens telescope 5 ,
  • the long symmetry axis of the diamond-shaped beam cross-section is V * a.
  • Fig. 5 shows schematically a laser processing machine 20 according to the invention with a beam generator 21 for generating the laser beam 2 and with the optical assembly 1 for imaging the laser beam 2 on a workpiece 22.
  • the laser beam 2 of the beam generator 21 is coupled into the fiber 10 and occurs as a divergent laser beam from the fiber 10, the fiber core exit surface is imaged by the optical assembly 1 on the workpiece surface.
  • the fiber 10 and the optical assembly 1 can be mounted together, ie as a unit, rotatably about the optical axis of the collimating optics 4.
  • the preferred direction of the focus line on the workpiece can be changed.

Abstract

Eine Optikanordnung (1) zum Ändern des Verhältnisses zweier orthogonaler Strahlquerschnittachsen (a, b) eines Laserstrahls (2) in der Fokusebene (F) umfasst erfindungsgemäß - eine Kollimationsoptik (4) zum Kollimieren eines divergenten Laserstrahls (2a), - ein der Kollimationsoptik (4) nachgeordnetes Zylinderlinsenteleskop (5) zum Ändern des Strahlquerschnitts des kollimierten Strahls (2b) nur in Richtung der einen, zweiten Strahlquerschnittachse (b), wobei das Zylinderlinsenteleskop (5) drei Linsen oder Linsengruppen (51, 52, 53) mit in Strahlrichtung (3) positiver, negativer und positiver Brennweite aufweist, die am Ausgang des Zylinderlinsenteleskops (5) einen kollimierten Strahl (2c) mit in Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse (b) kleinerem Strahldurchmesser und größerer Restdivergenz als am Eingang des Zylinderlinsenteleskops (5) erzeugen, und - eine dem Zylinderlinsenteleskop (5) nachgeordnete Fokussieroptik (6) zum Fokussieren des in den Richtungen der beiden Strahlquerschnittachsen (a, b) kollimierten Laserstrahls (2b, 2c).

Description

Optikanordnunq zur Strahlformunq eines Laserstrahls
für eine Laserbearbeitunqsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Optikanordnung zum Ändern des Verhältnisses zweier orthogonaler Strahlquerschnittachsen eines Laserstrahls in der Fokusebene. Bei verschiedenen Aufgaben in der Lasermaterialbearbeitung, beispielsweise beim Entschichten oder der Oberflächenbehandlung von Werkstücken (z.B. Polieren, Wärmebehandeln), aber auch bei speziellen Schweiß- oder Schneidanwendungen, ist eine nicht-runde Fokusgeometrie auf der Werkstückoberfläche er- wünscht. Beim Entschichten oder bei der Oberflächenbehandlung von Werkstücken wird der Laserstrahl üblicherweise linienförmig auf die Werkstückoberfläche fokussiert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis zwischen Linienlänge und -breite variabel ist, um eine Bearbeitungsoptik vielseitig einsetzbar zu gestalten oder um bei Änderungen der Werkstückeigenschaften oder der Prozessparameter nicht die gesamte Bearbeitungsoptik tauschen zu müssen.
Die einfachste Möglichkeit zur Änderung des Durchmessers eines auf ein Werkstück fokussierten Laserstrahls besteht in der axialen Dejustierung der
Fokussieroptik. Bei einer axialen Verschiebung der Fokussieroptik wird die Bear- beitungsebene aus der Fokus-Ebene der Optik heraus bewegt. Dabei werden die divergenten Strahleigenschaften nach oder vor dem Fokus genutzt, um einen größeren Laser-Spot auf der Werkstückoberfläche zu erzeugen. Die Leistungsverteilung des Laserstrahls entspricht jedoch nur in der Fokusebene der Leistungsverteilung (,,Top-Hat"-Profil) am Faserende eines Faserlasers oder einer Lichtleitfa- ser, wie sie an Maschinen mit Festkörperlaser eingesetzt wird. Bei größerer Defokussierung entspricht die Leistungsverteilung eher der Winkelverteilung (Gaußprofil). Dadurch entsteht eine starke Leistungsdichteschwankung über das Profil. Um stattdessen den Durchmesser des Strahls in der Fokus-Ebene zu verändern, muss der Abbildungsmaßstab des optischen Systems verändert werden. Zu diesem Zweck wird eine Linsengruppe oder eine einzelne Linse des optischen Systems (sog. Variator) axial verschiebbar angeordnet. Da sich durch die Verschiebung des Variators die Fokuslage des Laserstrahls ebenfalls ändert, muss eine zweite axial verschiebbare Linse (Linsengruppe) im optischen System angeordnet sein. Dieser sogenannte Kompensator dient dazu, die Fokuslage wieder in die ursprüngliche Position zu verschieben. Die Stellwege von Variator und Kompensator stehen im Allgemeinen in einem nichtlinearen Zusammenhang.
Um den Abbildungsmaßstab eines optischen Systems zu variieren, ist es aus US 4,353,617 bekannt, ein einstellbares afokales Teleskops im kollimierten Strah- lengang zwischen dem Kollimations- und dem Fokussierobjektiv einer Laseroptik anzuordnen. Das afokale Teleskop dient dazu, den Ausgangsstrahl eines Halbleiterlasers, der einen elliptischen Strahldurchmesser aufweist, in einen Strahl mit rundem Strahldurchmesser umzuformen.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Optikanordnung für eine Laserbearbeitungsmaschine bereitzustellen, mit der das Verhältnis zweier orthogonaler Strahlquerschnittachsen eines Laserstrahls geändert bzw. eingestellt werden kann und insbesondere ein möglichst linienförmiger Strahlfokus mit stufenlos einstellbarem Seitenverhältnis auf einer Werkstückoberfläche erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Optikanordnung zum Ändern des Verhältnisses zweier orthogonaler Strahlquerschnittachsen eines Laser- Strahls, mit einer Kollimationsoptik zum Kollimieren eines divergenten Laserstrahls, mit einem der Kollimationsoptik nachgeordneten Zylinderlinsenteleskop zum Ändern des Strahlquerschnitts des kollimierten Strahls nur in Richtung der einen, zweiten Strahlquerschnittachse, wobei das Zylinderlinsenteleskop drei Linsen oder Linsengruppen mit in Strahlrichtung positiver, negativer und positiver Brennweite aufweist, die am Ausgang des Zylinderlinsenteleskops einen kollimierten Strahl mit in Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse kleinerem Strahldurchmesser und damit größerer Restdivergenz als am Eingang des Zylinderlinsenteleskops erzeugen, und mit einer dem Zylinderlinsenteleskop nachgeordneten Fokussieroptik zum Fokussieren des in den Richtungen der beiden Strahlquerschnittachsen kollimierten Laserstrahls.
In Richtung der ersten Strahlquerschnittachse hat das Zylinderlinsenteleskop erfindungsgemäß keine Wirkung auf den Laserstrahl, so dass der Fokusdurchmesser des Laserstrahls auf dem Werkstück in dieser Richtung nicht variabel ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Strahlqualität des Laserstrahls in Richtung der ersten Strahlquerschnittachse, in der eine hohe Strahlqualität erwünscht ist, durch das Zylinderlinsenteleskop nicht verändert wird und somit erhalten bleibt. Dem Zylinderlinsenteleskop ist eine Fokussieroptik zur Abbildung des kollimierten Ausgangsstrahls in einen Strahlfokus nachgeordnet. Die Abbildung des Laserstrahls in Richtung der ersten Strahlquerschnittsachse erfolgt über eine telezentrische Abbildung durch die Kollimations- und die Fokussieroptik. Der Abbildungsmaßstab Mi in dieser Richtung wird nur durch das Verhältnis von Kollimations- zu
Fokussierbrennweite bestimmt. In Richtung der ersten Strahlquerschnittachse ist der Fokusdurchmesser des Laserstrahls auf dem Werkstück nicht variabel, und die Strahlqualität des Laserstrahls bleibt beim Durchtritt durch das Zylinderlinsenteleskop erhalten, so dass in dieser Richtung ein Strahlfokus mit hoher Tiefenschärfe entsteht. In Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse wirkt das Zylinderlinsenteleskop, so, dass der Strahldurchmesser Din und die Restdivergenz des eintretenden kollimierten Laserstrahls verändert werden. Das Zylinderlinsenteleskop ist erfindungsgemäß so ausgelegt, dass der austretende kollimierte Laserstrahl immer einen gegenüber dem eintretenden Strahl verkleinerten Strahldurchmesser Daus aufweist. Diese Verkleinerung des Strahldurchmessers hat zur Folge, dass die Restdivergenz des austretenden kollimierten Laserstrahls etwa um den gleichen Faktor zunimmt. Der (Winkel)Vergrößerungsfaktor des Zylinderlinsenteleskops ist also erfindungsgemäß größer als eins (V>1 ). Über die
Fokussieroptik wird der kollimierte Laserstrahl mit dem Faktor V vergrößert abge- bildet, da die höhere Restdivergenz des kollimierten Ausgangsstrahls in ein größeres Bild, d.h. in einen größeren Durchmesser in dieser Richtung, in der Fokusebene übersetzt wird. Insgesamt wird der Laserstrahl in dieser Richtung durch die Optikanordnung also mit einem Abbildungsmaßstab
Figure imgf000006_0001
abgebildet. In Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse tritt aufgrund von Abbildungsfehlern der Teleskoplinsen eine Verschlechterung der Strahlqualität auf, die in dieser Raumrichtung aber akzeptiert werden kann.
Die Linsengruppen des Zylinderlinsenteleskops bestehen jeweils aus zwei oder mehr Zylinderlinsen, um die Abbildungsfehler gering zu halten. Alternativ können zumindest die erste Linsengruppe und, falls erforderlich, auch die zweite Linsengruppe des Zylinderlinsenteleskops ganz oder teilweise durch einen Azylinder ersetzt werden, um die notwendige Anzahl an Linsen zu minimieren. Vorzugsweise weist der in die Kollimationsoptik eintretende divergente Laserstrahls in den Richtungen der beiden Strahlquerschnittachsen die gleiche Strahlqualität auf und sind die Kollimationsoptik und die Fokussieroptik sphärisch oder asphärisch ausgeführt.
Um mit der Optikanordnung das Verhältnis der beiden Strahlquerschnittachsen variabel einstellen zu können, sind eine der beiden Linsen bzw. Linsengruppen mit positiver Brennweite und die Linse bzw. Linsengruppe mit negativer Brennweite jeweils axial verschiebbar, wobei es für jede Verschiebeposition der Linse/ Linsengruppe mit positiver Brennweite eine Verschiebeposition der Linse/
Linsengruppe mit negativer Brennweite gibt, so dass am Ausgang des Zylinderlinsenteleskops ein kollimierter Strahl mit in Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse kleinerem Strahldurchmesser und größerer Restdivergenz als am Eingang des Zylinderlinsenteleskops vorliegt. Bevorzugt sind die zweite und die dritte Linsengruppe axial verschiebbar ausgeführt, aber alternativ können auch die erste und die zweite Linsengruppe axial verschiebbar sein. Die axiale Verstellung der Linsengruppen kann manuell mithilfe von Stellschrauben erfolgen. Es ist alternativ auch möglich, die Verstellung der Linsengruppen motorisch auszuführen und mit einer Steuerung zu kombinieren. Bei einer motorischen Verstellung können der Vergrößerungsfaktor und daraus folgend die Leistungsdichte auf dem Werkstück während der Bearbeitung geregelt werden.
Für einen möglichst weit einstellbaren Vergrößerungsbereich liegen vorteilhaft die die Brennweiten f-ι , f2, f3, die Abstände Si2, s23 der drei Linsen/Linsengruppen und die Weglänge e des Verschiebewegs der Linse/Linsengruppe mit negativer Brennweite in den folgenden Grenzen:
f1 + f2 < s12 < f1 +f3
0 < s23 < f3+f2(V+1 )
0 > f2 = [e/2-f1 ]*(1/2)
f3 > -f2(V+1 ).
Auf diese Weise kann ein weiter Bereich an unterschiedlichen Seitenverhältnissen des endseitig linienförmigen Strahlfokus von beispielsweise 3:1 bis 10:1 realisiert werden, ohne dass Bauteile im System getauscht werden müssen. Vorzugsweise ist der Kollimationsoptik eine Faser vorgeordnet, aus deren Faserkern der Laserstrahl divergent austritt. Im Falle einer Faser mit rundem Faserkernquerschnitt wird ein ellipsenförmiger Strahlquerschnitt im Fokus erhalten. Im Falle einer Faser mit quadratischem oder rechteckigem Faserkernquerschnitt wird ein rechteckiger oder näherungsweise linienförmiger Strahlquerschnitt im Fokus erhalten, sofern die Seiten der quadratischen bzw. rechteckigen Faserkernaus- trittsfläche parallel zu den Hauptachsen des Zylinderlinsenteleskops ausgerichtet sind. Ein solcher Linienfokus ist beispielsweise für das Entschichten oder die Oberflächenbehandlung von Werkstücken am besten geeignet.
Besonders bevorzugt sind die Faser und das Zylinderlinsenteleskop relativ zueinander um die optische Achse der Kollimationsoptik drehbar angeordnet, um die Form des Strahlfokus durch Änderung der relativen Drehlage einstellen zu können. Sind die Seiten der Faserkernaustrittsfläche parallel zu den Hauptachsen des Zylinderlinsenteleskops ausgerichtet, so wird ein rechteckförmiger Strahlfokus erhalten, während bei einer Dejustage der Faser relativ zum Zylinderlinsenteleskop ein rautenförmiger Fokusquerschnitt erzielt wird, der für spezielle Oberflächenbehandlungen von Werkstücken vorteilhaft sein kann.
Die Optikanordnung ist vorteilhaft modular mit austauschbaren Kollimations- und Fokussieroptiken aufgebaut, um den erreichbaren Bereich an unterschiedlichen Verhältnissen der beiden Strahlquerschnittachsen und damit an unterschiedlich Linienlängen und -breiten des Strahlfokus zu erweitern.
Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem Strahlerzeuger zum Erzeugen eines Laserstrahls und mit einer wie oben beschriebenen Optikanordnung zum Abbilden des Laserstrahls auf ein Werkstück. Bevorzugt weist die Laserbearbeitungsmaschine eine der Optikanordnung vorgeordnete Faser auf, in die der Laserstrahl des Strahlerzeugers eingekoppelt wird. Der Laserstrahl tritt dann divergent aus der Faser aus. Die Leistungsverteilung des Strahls an der Faserendfläche wird durch die Optikanordnung auf die Werkstückoberfläche abgebildet. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine sind die Faser und die Optikanordnung gemeinsam, also als Einheit, um die optische Achse der Kollimationsoptik drehbar gelagert. So kann z.B. im Fall einer Quadrat- oder Rechteckfaser die Vorzugsrichtung der Fokuslinie auf dem Werkstück verändert werden. Dies ist beispielsweise beim Laserpolieren oder beim Schneiden mit hoch brillanten Faserlasern von Vorteil, da die Leistungseinbringung in das Werkstück nur dann gleichmäßig erfolgt, wenn die Ausrichtung der Fokuslinie immer rechtwinklig zur Bewegungsbahn bleibt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen. Es zeigen:
Fign. 1 a, 1 b den Strahlengang der erfindungsgemäßen Optikanordnung in der
Ebene einer ersten Strahlquerschnittachse eines Laserstrahls (Fig. 1 a) und in der Ebene einer orthogonalen zweiten Strahlquerschnitt- achse des Laserstrahls (Fig. 1 b);
Fig. 2 den Strahlengang der erfindungsgemäßen Optikanordnung in der
Ebene der zweiten Strahlquerschnittachse mit eingezeichneten Brennweiten und Linsenabständen;
Fign. 3a, 3b den Strahlengang der in Fig. 1 gezeigten Optikanordnung in der
Ebene der zweiten Strahlquerschnittachse bei einer Winkelvergrößerung von V=3 (Fig. 2a) und von V=9 (Fig. 2b);
Fign. 4a-4c die Änderung eines eingangsseitig runden in einen ausgangsseitig elliptischen Strahlquerschnitt (Fig. 4a), die Änderung eines eingangsseitig quadratischen in einen ausgangsseitig rechteckigen Strahlquerschnitt (Fig. 4b) und die Änderung eines eingangsseitig quadratischen in einen ausgangsseitig rautenförmigen Strahlquerschnitt (Fig. 4c); und
Fig. 5 schematisch eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine mit der in Fig. 1 gezeigten Optikanordnung.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
In Fig. 1 a, 1 b ist der Strahlengang durch eine Optikanordnung 1 zur Strahlformung eines runden Laserstrahls 2 für eine Laserbearbeitungsmaschine gezeigt, und zwar in Fig. 1 a in der Ebene einer ersten Strahlquerschnittachse a und in Fig. 1 b in der Ebene einer orthogonalen zweiten Strahlquerschnittachse b des Laser- Strahls 2. Die beiden Strahlquerschnittachsen a, b verlaufen jeweils rechtwinklig zur Strahlrichtung 3.
Die Optikanordnung 1 umfasst eine sphärische oder asphärische Kollimationsoptik 4 zum Kollimieren des divergent einfallenden Laserstrahls 2a und ein der Kollima- tionsoptik 4 nachgeordnetes Zylinderlinsenteleskop 5 zum Ändern des Strahlquerschnitts des kollimierten Strahls 2b nur in der zweiten Strahlquerschnittachse b. Das Zylinderlinsenteleskop 5 weist drei Linsen oder Linsengruppen 5-\, 52, 53 mit in Strahlrichtung 3 positiver, negativer und positiver Brennweite auf, die am Ausgang des Zylinderlinsenteleskops 5 einen kollimierten Strahl 2c mit in der zweiten Strahlquerschnittachse b kleinerem Strahldurchmesser Dout und größerer Restdivergenz als am Eingang des Zylinderlinsenteleskops 5 erzeugen.
Die Optikanordnung 1 umfasst ferner eine dem Zylinderlinsenteleskop 5 nachgeordnete, sphärische oder asphärische Fokussieroptik 6 zum Fokussieren des in den beiden Strahlquerschnittachsen a, b kollimierten Laserstrahls 2b, 2c.
Wie in Fig. 1 b gezeigt, sind die dritte Linse/Linsengruppe 53 mit positiver Brennweite innerhalb eines Bereichs g und die zweite Linse/Linsengruppe 52 mit negativer Brennweite innerhalb eines Bereichs e axial verschiebbar. Dabei gibt es für jede Verschiebeposition der dritten Linse/Linsengruppe 53 eine Verschiebeposition der Linse/Linsengruppe 52, so dass am Ausgang des Zylinderlinsenteleskops 5 ein kollimierter Strahl 2c mit in der zweiten Strahlquerschnittachse b kleinerem Strahldurchmesser und größerer Restdivergenz als am Eingang des Zylinderlinsentele- skops 5 vorliegt.
In Richtung der ersten Strahlquerschnittachse a hat das Zylinderlinsenteleskop 5 keine Wirkung auf den Laserstrahl 2b, so dass der Strahldurchmesser in der Fokusebene F nicht variabel ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Strahlqualität des Laserstrahls in Richtung der ersten Strahlquerschnittachse a, in der eine hohe Strahlqualität und damit gute Fokussierbarkeit erwünscht ist, durch das Zylinderlinsenteleskop 5 nicht verändert werden und somit erhalten bleiben. Die Abbildung des Laserstrahls in die Fokusebene F erfolgt über eine telezentrische Abbildung durch die Kollimations- und die Fokussieroptik 4, 6, und der Abbildungsmaßstab M-i der Optikanordnung 1 in dieser Richtung wird nur durch das Verhältnis von Kollimations- zu Fokussierbrennweite bestimmt.
In Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse b wirkt das Zylinderlinsenteleskop 5, so dass der Strahldurchmesser Din und die Restdivergenz des eintretenden kollimierten Laserstrahls 2b verändert werden. Das Zylinderlinsenteleskop 5 ist so ausgelegt, dass der austretende kollimierte Laserstrahl 2c immer einen gegenüber dem eintretenden Strahl 2b verkleinerten Strahldurchmesser Dout aufweist. Diese Verkleinerung des Strahldurchmessers hat zur Folge, dass die Restdivergenz des austretenden kollimierten Laserstrahls 2c etwa um den gleichen Faktor zunimmt. Der Winkelvergrößerungsfaktor
Figure imgf000011_0001
des Zylinderlinsenteleskops 5 ist also größer als eins (V>1 ). Über die Fokussieroptik 6 wird der Laserstrahl durch die Optikanordnung 1 mit dem Faktor V vergrößert abgebildet, da die höhere Restdivergenz des kollimierten Ausgangsstrahls 2c in ein größeres Bild, d.h. in einen größeren Durchmesser in dieser Richtung, in der Fokusebene F übersetzt wird. Der Abbildungsmaßstab M2 der Optikanordnung 1 in dieser Richtung ist also M2=V* M-|. In Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse b tritt aufgrund der nicht strahlqualitätserhaltenden Abbildung eine Verschlechterung der Strahlqualität auf, die in dieser Raumrichtung aber akzeptiert werden kann. In Fig. 2 ist der in Fig. 1 b gezeigte Strahlengang um die Brennweiten f-ι , f2, f3 der drei Linsen 5i , 52, 53 und ihre Linsenabständen Si2, s23 sowie um die Weglänge e des Verschiebewegs der zweiten Linse/Linsengruppe 52 ergänzt, die vorzugsweise in den folgenden Grenzen liegen:
+ f2 < S12 < f 1 + f 3
0 < s23 < f3 + f2*(V+1 )
Figure imgf000012_0001
f3 > -f2*(V+1 ),
wobei der (Winkel)Vergrößerungsfaktor V des Zylinderlinsenteleskops 5 durch V = Din/Dout definiert ist (Din = Strahldurchmesser in Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse b am Eingang des Zylinderlinsenteleskops 5 und Dout = Strahldurchmesser in Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse b am Ausgang des Zylinderlinsenteleskops 5). Wie in Fig. 1 weiter gezeigt, ist der Kollimationsoptik 4 eine Faser 10 vorgeordnet, aus deren Faserkern 1 1 (vgl. Fign. 4a-4c) der Laserstrahl 2a divergent austritt, und zwar bevorzugt mit einer in den beiden Strahlquerschnittachsen a, b gleichen Strahlqualität. Fign. 3a, 3b zeigen den Strahlengang der Optikanordnung 1 in der Ebene der zweiten Strahlquerschnittachse b bei einer Vergrößerung von V=3 (Fig. 3a) und von V=9 (Fig. 3b). Um in Fig. 3b die höhere Vergrößerung zu erreichen, sind die zweite und die dritte Linsengruppe 52, 53 jeweils axial so verschoben, dass am Ausgang des Zylinderlinsenteleskops 5 ein kollimierter Laserstrahl 2c mit einem gegenüber Fig. 3a kleineren Strahldurchmesser Dout und einer gegenüber Fig. 3a entsprechend höherer Restdivergenz vorliegt.
Wie in Fig. 4a gezeigt, wird im Fall eines runden Faserkerns 1 1 der eingangsseitig runde Strahlquerschnitt nach Durchlaufen der Optikanordnung 1 ausgangsseitig in einen elliptischen Strahlquerschnitt geändert, dessen lange Achse V*a beträgt Wie in Fig. 4b gezeigt, wird im Fall eines quadratischen Faserkerns 1 1 der eingangsseitig quadratische Strahlquerschnitt nach Durchlaufen der Optikanordnung 1 ausgangsseitig in einen rechteckigen Strahlquerschnitt geändert, sofern die Seiten der quadratischen Faserkernaustrittsfläche 10a parallel zu den Hauptachsen des Zylinderlinsenteleskops 5 ausgerichtet sind. Die lange Seite des rechteckigen Strahlquerschnitts beträgt V*a.
Wie in Fig. 4c gezeigt, wird im Fall eines quadratischen Faserkerns 1 1 der ein- gangsseitig quadratische Strahlquerschnitt nach Durchlaufen der Optikanordnung 1 ausgangsseitig in einen rautenförmigen Strahlquerschnitt geändert, sofern die gestrichelt dargestellten Diagonalen der quadratischen Faserkernaustrittsfläche parallel zu den Hauptachsen des Zylinderlinsenteleskops 5 ausgerichtet sind. Die lange Symmetrieachse des rautenförmigen Strahlquerschnitts beträgt V*a.
Im Fall eines unrunden Faserkerns 1 1 können die Faser 10 und das Zylinderlinsenteleskop 5 relativ zueinander um die optische Achse der Kollimationsoptik 4 drehbar angeordnet sein, um die Form des Strahlfokus durch Änderung der relativen Drehlage einstellen zu können. Fig. 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine 20 mit einem Strahlerzeuger 21 zum Erzeugen des Laserstrahls 2 und mit der Optikanordnung 1 zum Abbilden des Laserstrahls 2 auf ein Werkstück 22. Der Laserstrahl 2 des Strahlerzeugers 21 wird in die Faser 10 eingekoppelt und tritt als divergenter Laserstrahl aus der Faser 10 aus, deren Faserkernaustrittfläche durch die Optikanordnung 1 auf die Werkstückoberfläche abgebildet wird.
Für spezielle Anwendungen können die Faser 10 und die Optikanordnung 1 gemeinsam, also als Einheit, um die optische Achse der Kollimationsoptik 4 drehbar gelagert sein. So kann z.B. im Fall einer Quadrat- oder Rechteckfaser die Vor- zugsrichtung der Fokuslinie auf dem Werkstück verändert werden.

Claims

Patentansprüche
Optikanordnung (1 ) zum Ändern des Verhältnisses zweier orthogonaler Strahlquerschnittachsen (a, b) eines Laserstrahls
(2) in der Fokusebene (F), mit einer Kollimationsoptik (4) zum Kollimieren eines divergenten Laserstrahls (2a),
mit einem der Kollimationsoptik (4) nachgeordneten Zylinderlinsenteleskop (5) zum Ändern des Strahlquerschnitts des kollimierten Strahls (2b) nur in Richtung der einen, zweiten Strahlquerschnittachse (b), wobei das Zylinderlinsenteleskop (5) drei Linsen oder Linsengruppen (5i , 52, 53) mit in Strahlrichtung
(3) positiver, negativer und positiver Brennweite aufweist, die am Ausgang des Zylinderlinsenteleskops (5) einen kollimierten Strahl (2c) mit in Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse (b) kleinerem Strahldurchmesser und größerer Restdivergenz als am Eingang des Zylinderlinsenteleskops (5) erzeugen, und
mit einer dem Zylinderlinsenteleskop (5) nachgeordneten Fokussieroptik (6) zum Fokussieren des in den Richtungen der beiden Strahlquerschnittachsen (a, b) kollimierten Laserstrahls (2b, 2c).
Optikanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der in die Kollimationsoptik (4) eintretende divergente Laserstrahl (2a) in den Richtungen der beiden Strahlquerschnittachsen (a, b) die gleiche Strahlqualität aufweist.
Optikanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine (53) der beiden Linsen bzw. Linsengruppen mit positiver Brennweite und die Linse bzw. Linsengruppe (52) mit negativer Brennweite axial verschiebbar sind, wobei es für jede Verschiebeposition der einen Linse bzw. Linsengruppe (53) mit positiver Brennweite eine Verschiebeposition der Linse bzw. Linsengruppe (52) mit negativer Brennweite gibt, so dass am Ausgang des Zylinderlinsenteleskops (5) ein kollimierter Strahl (2c) mit in Richtung der zweiten Strahlquerschnittachse (b) kleinerem Strahldurchmesser, aber größerer Restdivergenz als am Eingang des Zylinderlinsenteleskops (5) vorliegt.
4. Optikanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweiten (f-ι , f2, f3) und die Abstände (si2, s23) der drei Linsen bzw. Linsengruppen (5i , 52, 53) des Zylinderlinsenteleskops (5) sowie die Weglänge (e) des Verschiebeweges der Linse bzw. Linsengruppe (52) mit negativer Brennweite in den folgenden Grenzen liegen:
+ f2 < S12 ^ f 1 + f3
0 < s23 < f3 + f2*(V+1 )
0 > f2 = [e/2-f1]*(1/2)
f3 > -f2*(V+1 ),
wobei V der Winkelvergrößerungsfaktor des Zylinderlinsenteleskops (5) ist.
5. Optikanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimationsoptik (4) eine Faser (10) vorgeordnet ist, aus deren Faserkern (1 1 ) der Laserstrahl (2a) divergent austritt und deren Faserkernaustrittsfläche (10a) im Bereich der Brennebene der Kollimationsoptik (4) angeordnet ist.
6. Optikanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkern (1 1 ) einen runden, quadratischen oder rechteckigen Faserquerschnitt aufweist.
7. Optikanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten der quadratischen oder rechteckigen Faserkernaustrittsfläche (10a) parallel zu den Hauptachsen des Zylinderlinsenteleskops (5) ausgerichtet sind.
8. Optikanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (10) und das Zylinderlinsenteleskop (5) relativ zueinander um die optische Achse der Kollimationsoptik (4) drehbar angeordnet sind.
9. Laserbearbeitungsmaschine (20) mit einem Strahlerzeuger (21 ) zum Erzeugen eines Laserstrahls (2) und mit einer Optikanordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Fokussieren des Laserstrahls (2) auf ein Werkstück (22).
10. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Optikanordnung (1 ) eine Faser (10) vorgeordnet ist, aus deren Faserkern (1 1 ) der Laserstrahl (2a) divergent austritt.
1 1 . Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (10) und die Optikanordnung (1 ) gemeinsam um die optische Achse der Kollimationsoptik (4) drehbar gelagert sind.
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